抽油杆疲劳性能实验分析

梁毅，赵春，樊松，雷宇，石海霞

（1. 中国石油长庆油田分公司，西安 710018；2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018）

抽油机有杆泵采油占人工举升80%以上，抽油杆在其中起着至关重要的作用。D 级和H 级抽油杆是油田最常用的两种抽油杆，通过现场应用分析，因抽油杆断裂造成油井修井的比例达35%，直接增加了油井生产运行成本。由此可见，确保抽油杆的正常工作具有重大的经济效益。

美国古德曼（Goodman）用实验的方式得到了抽油杆使用寿命可达1000 万次而不至于发生断裂的结论[10]。国内路永明、林元华等[19]提出了预测抽油杆疲劳寿命的Paris 模型和Forman 模型。骆竞晞等人[24]运用Paris 模型分析了当抽油杆存在可扩展裂纹时的剩余寿命。胡雨人等人[25]提出通过实测抽油杆材料的力学性能去推测疲劳特性的方法。以上研究方法均未充分考虑油井生产过程中抽油杆所受的井液腐蚀、拉压载荷等实际工作环境。因此，文中模拟抽油杆实际工作环境条件下（载荷条件和腐蚀介质），对D 级和H级抽油杆进行材质成分分析、静强度测试、空气介质和腐蚀介质下的疲劳强度测试等实验分析工作，对两种抽油杆的疲劳性能作出评价，为抽油杆的选择提供指导。

1 室内实验

实验选用D 级和H 级抽油杆柱，采用岛津电液伺服疲劳试验机，严格按照GB 6397—86《金属拉伸试验试样》执行，开展抽油杆拉伸性能和腐蚀疲劳性能测试。

1.1 拉伸性能测试

为了能更好地进行各项相关的疲劳试验，首先应该清楚抽油杆的基本力学性能指标。通过对试样进行大气中的静拉伸试验，从而计算出材料的基本力学性能指标。两种抽油杆化学成分见表1。

表1 D 级和H 级抽油杆柱的化学成分 %

在大气室温下进行静拉伸试验，为计算各种力学性能指标，引用式（1）—（3）。经计算后，D 级和H 级抽油杆柱的力学性能指标见表2。

式中：P 为试验机所施加的载荷值；A0为试样原始截面积；A1为试样断裂处截面积；L1为试样断裂后标距；L0为试样原始标距。

表2 材料力学性能指标

1.2 腐蚀疲劳性能测试

在油井实际生产条件下，抽油杆断裂与井筒腐蚀状况有直接的关系。因此，通过疲劳试验测得抽油杆型号在各种腐蚀介质中的疲劳性能指标，进行对比分析，以便为工况选材提供必要的依据。

取频率f=10 Hz、应力比R=0.1 的正弦波形，在室温下进行腐蚀疲劳试验。试验的起始载荷应力一般取值：σmax≈0.9σb，设循环应力幅值为σa。

由式（4）、（5）联立求解，可求得最小应力σmin及应力幅值σa，于是求得平均应力σm：

根据以上计算得出的σm、σa及相关试验参数进行疲劳试验。

1.2.1 抽油杆在不同介质中疲劳性能

分别考虑井液介质含水率为100%、85%、4%和空气的情况下，开展D 级和H 级的疲劳性能实验。从图1 可以看出，D 级和H 级抽油杆在原油中的抗疲劳性能随油水混合介质中含水率的增加而急剧下降，H 级抽油杆降低的幅度更大一些，说明含水率是影响疲劳性能的最主要参数。含水100%对抽油杆材料的腐蚀性最大，因为产出液由油包水型变为水包油型，管杆表面由油润湿变为水润湿，失去了原油的保护作用，加快了管杆之间腐蚀的速度。含水率低时，管杆摩擦面处于良好的油润滑状态，动摩擦因数较小，磨损较轻；当含水率高时，管杆摩擦处于水润滑状态，动摩擦因数大大增加，加快了管杆磨损。

由图2 可以看出，在空气中，H 级杆的抗疲劳性能高于D 级抽油杆。当含水率上升时，H 级杆的抗疲劳性能显著低于D 级抽油杆。

图1 抽油杆在不同介质中疲劳寿命曲线

图2 抽油杆在空气中和井液介质含水率85%下的疲劳寿命曲线

1.2.2 拉压载荷对抽油杆腐蚀疲劳性能的影响

抽油杆在使用过程中，既受到拉应力作用，同时在中和点以下还受到压应力作用。为了弄清楚压载荷对抽油杆柱腐蚀疲劳性能的影响及影响程度，测试拉压载荷对抽油杆腐蚀疲劳性能的影响，如图3 所示。可以看出，拉压载荷对两种抽油杆都有一定影响。D级抽油杆在应力幅小于190 MPa 时，压应力的疲劳寿命略低于拉应力作用下的寿命；H 级抽油杆两条曲线在应力幅小于177 MPa 时，压应力的疲劳寿命略低于拉应力作用下的寿命。分析得出，应力幅为某一值时，该点的拉、压载荷相等，即该点处为抽油杆中和点，受力为0。当应力幅小于该点值时，即中和点以下的螺旋弯曲所产生的附加拉应力会使抽油杆加速偏磨，致使抽油杆断裂。

图3 抽油杆在纯水下的拉压载荷疲劳寿命曲线

2 腐蚀疲劳性能差异的原因分析

通过以上实验分析和理论计算，可以得出H 级抽油杆在空气中的抗疲劳性能明显优于D 级抽油杆，主要原因为：

1）从材料成分来看，H 级抽油杆中碳的质量分数为0.344%，而D 级抽油杆为0.252%。含碳量高的材料，抗拉强度高，因此空气中HL 级抽油杆性能优于D 级。

2）从材料硬度分析，H 级抽油杆的洛氏硬度和显微硬度均低于D 级抽油杆，因此D 级抽油杆比H级致脆。在空气中作疲劳试验，H 级抽油杆的寿命明显高于D 级抽油杆。

3）从静拉伸试验中也可以证明，H 级抽油杆的抗拉强度高于D 级，并且屈服强度高于D 级，所以H 级抽油杆在空气中的抗疲劳性能优于D 级。

通过以上实验分析，可以得出在原油、油水混合介质和纯净水的腐蚀环境下，H 级抽油杆的抗腐蚀性能低于D 级。随着油中含水量的增加，两种型号抽油杆的抗疲劳性能趋于一致。在较高应力区，H 级抽油杆的抗腐蚀疲劳性能略低于D 级抽油杆，主要是抽油杆中合金元素的影响。

由表1 和表2 可以看出，D 级抽油杆材料中Si、Cr 合金元素含量均高于H 级抽油杆。Si 元素含量高的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用。Cr 元素使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性，因此D 级抽油杆的抗腐蚀性能高于H 级。

3 结论

1）H 级抽油杆的抗拉强度、屈服强度等基本力学性能指标及空气中的疲劳寿命均优于D 级抽油杆。

2）含水率是影响抽油杆腐蚀疲劳性能的关键因素。随着含水的增加，抽油杆疲劳寿命降低，并且H级抽油杆降低的幅度更大。当含水率较低时，含水率稍微有所增加，寿命大幅度降低；当含水较高时，寿命降低幅度不大。因此，H 级抽油杆应在低含水区块应用，D 级抽油杆在中高含水区块应用。

3）抽油杆压应力引起的中和点以下的螺旋弯曲所产生的附加拉应力，是导致抽油杆偏磨的直接原因，因此在中和点以下应优化扶正防磨设计，延缓抽油杆断裂。

4）在中高含水区块，应加大对服役年限较长的抽油杆更换力度，以减少和预防抽油杆断裂事故的发生。